解开水4°C「最大密度」谜团　交大团队改写理化课本

▲水的密度在4°C时，可达到最大值。（图／达志影像／美联社）生活中心／综合报导国立交通大学研究团队发现水在4°C「最大密度」异常现象的原因，是由于低温下的「氢键网状结构扩张」所造成，结构扩张则是因为奈米冰(Nano-ice)的产生所导致。另外，奈米冰于温度低于10°C时开始生成，所以低于10°C的水严格来说不能视为纯液体。这项研究结果预计将会改写国中理化教科书。

根据《交通大学新闻网》的报导，水作为液体，仍有许多异常现象尚未被完全理解，其中最广为人知的就是「最大密度」的现象。台湾与日本的合作团队（由国立交通大学濵口宏夫讲座教授领军）透过在低温下形成奈米尺寸的微冰晶，为「最大密度」的现象，做出很好的解释。

报导也指出，国中的理化课本都有提到，水的密度在4°C时，可达到最大值。这个与热胀冷缩大不相同的异常现象也解释，为什么冬季湖面结冰，但鱼儿仍能在冰面下方的液态湖水中生存的原因。理组的同学更可能进一步学习到，水的密度异常是由于低温下的「氢键网状结构扩张」所造成，所谓氢键指的是水分子之间微弱的作用力。冰的结构是一种立体的网状结构，因为间隙多，所以造成冰的密度比水来得小。

交大研究团队在研究中证明，这样的网状结构扩张是因为奈米冰(Nano-ice)的产生所导致，同时也抑制了原本该增加的液态水密度，最终表现出水在4°C时密度最大的异常现象，奈米冰于温度低于10°C时开始生成，所以低于10°C的水严格来说不能视为纯液体。

▲（右上） 水的温度相关拉曼光谱的高光谱分析揭示有三种不同形式的水存在，红色（解结构化氢键键结水)），蓝色（结构化氢键键结水)）与绿色（奈米冰）；（左上）由模拟估算出来的水密度（空心圆）与观察到的（黑色实线）水密度的温度依赖性；（下）推测三种水的概念图，红色：解结构化氢键水，蓝色：结构化氢键水和绿色：奈米冰。（图／翻摄自交通大学新闻网）研究团队更利用拉曼光谱法，测定了-23 到45°C范围内的140个水样品，并且得到各个温度区间的分析结果。结果显示，在这范围中有三种形式的水出现，分别是「氢键结构松散的水」、「氢键结构规律排列的水」以及「氢键高度规律排列而形成类似冰型态的水」，「类似冰型态的水」实际上就是「奈米冰」。研究团队经过理论模拟计算后，得到这三种型态水在不同温度下所占有的比例，估算出来的最大密度落在4°C左右。所以水在4°C时具有最大密度之谜已经得到解答，预计也将改写教科书。